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可穿戴设备:“功耗”说了算

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-02-23浏览次数:1737

有人说,在技术博客圈子里,可穿戴设备是人们想要睡觉的词。它至少在一年内嘈杂,2014年将是可穿戴设备的突破性一年。今年的CES上还展出了许多可穿戴设备。虽然这个行业与行业并不相同,但问题是没有任何设备可以说服大多数人“磨损”它。除了“经验”的虚幻言论之外,它可能在技术上是长期的。

困难:仍需要克服

实现尽可能低的系统功耗是可穿戴设备的主要技术挑战,以及创新算法和传感器的使用。

目前,可穿戴设备基本上通过各种传感器测量相关指标,以MCU或AP为主要控制,加上传统的蓝牙,低功耗蓝牙或NFC技术进行无线通信。虽然这些技术相对成熟,但是与可穿戴设备结合在一起的需求远不如构建模块那么简单。

德州仪器(TI)MSP430中国业务开发经理院长告诉《中国电子报》记者,在技术方面存在两个主要困难:首先,可穿戴设备是电池供电的,需要长时间待机和使用。实现尽可能低的系统功耗的时间是一项重大的技术挑战。第二是实现心跳等物理数据的测量,需要使用创新的算法和传感器,这是开发人员的新领域。

恩智浦大中华移动设备和计算产品部高级营销总监史静燕表示,功耗,电池寿命和传感器是阻碍可穿戴设备市场发展的因素,这些领域将继续成为创新的焦点。未来。 Broadcom中国区销售总监钱志军认为,紧凑性和便携性是可穿戴设备的重要特征,功耗带来的挑战令人担忧。

从实际设计的角度来看,仍有许多细节需要考虑。安森美半导体应用产品部(医疗)高级市场工程师习金淼指出,可穿戴助听器技术没有不可逾越的障碍。设计中仍存在一些挑战,例如如何在整个系统中提供。出色的音质和计算能力?如何在低电源电压(可能低至1.0V)下最小化能耗?如何减小物理尺寸?如何为信号处理硬件平台和DSP选择合适的DSP架构?如何提高软件灵活性?如何选择合适的无线连接技术。这些“细节”可能决定最终的成功或失败。

让可穿戴设备“带来你的力量”是最好的选择。 Broadcom总裁兼首席执行官兼董事会成员Scott A. McGregor可以利用现有智能手机和平板电脑的强大处理能力来处理可穿戴设备收集的数据,如生命体征,运动指标或睡眠质量。这样,可以降低对可穿戴设备的处理能力的要求,并且可以降低功耗,并且还可以降低可穿戴设备的成本,并且消费者可以以较低的价格购买。

MCU:Cortex-M系列占主导地位

极长的电池寿命是大多数可穿戴设备的关键设计因素,基于ARM Cortex-M处理器的MCU是最佳解决方案。

作为可穿戴设备的主人,MCU实现了低功耗的最高“生存规则”。从市场角度来看,基于ARM的Cortex-M在低功耗应用中具有优势,但基于Cortex-A的MCU也出现在可穿戴设备市场中。

Silicon Labs Americas营销总监Raman Sharma认为,虽然基于Cortex-A的产品概念设计得到广泛宣传,但这种设计对于满足当今大多数可穿戴设备的超低功耗要求是不切实际的。他进一步解释说,虽然ARM Cortex-A系列MCU是基于Android的便携式设备的绝佳选择,但这些设备是基于频繁充电而设计的。 Cortex-A在可穿戴设备中的高性能是以高能耗为代价的,一次充电只需几天即可完成。由于长电池寿命是大多数可穿戴设备的关键设计因素,因此基于ARM Cortex-M的MCU是可穿戴设备设计的最佳解决方案。

从市场角度来看,大多数制造商倾向于采用Cortex-M核心。意法半导体高级市场工程师任元表示,可穿戴设备中的大多数微控制器都基于ARM内核,例如基于Cortex-M内核的ST STM32系列MCU,功耗低,封装小。得到业界的青睐。 Xi Jinmiao表示,采用4核架构的Ensemite Ezairo 7100片上系统包括一个完全可编程的双MAC 24位DSP内核,一个支持无线协议的ARM Cortex-M3处理器内核,以及一个灵活的HEAR可配置加速器引擎。

无线技术:相互长度

现有的无线技术各有优缺点,业界仍缺乏结合无线技术优势的无线通信标准,同时克服了其缺点。

随着可穿戴设备变得越来越普遍,使用无线技术进行连接将是其潜力的关键。在各种无线连接技术中,谁能赢?半导体制造商的选择要么是单开花,要么是多路,但无论如何都是“死”功耗的问题。

根据Raman Sharma的说法,蓝牙低功耗被认为是理想的低功耗,点对点无线连接解决方案,适用于健身追踪器和连接智能手机的智能手表的可穿戴产品。任远还表示,由于低功耗要求,蓝牙仍适用于可穿戴设备。 ROHM还表示目前可以使用蓝牙和Wi-Fi。由于连接方便和低功耗,蓝牙对蓝牙低功耗(BLE)技术的未来应用尤其乐观。

“蓝牙和Wi-Fi各有优势。我们将根据产品的设计选择合适的通信技术。”索尼移动通信大中华区副总裁兼营销部负责人郑树仁表示,“目前,大部分索尼硬件基本上都采用了内置的NFC芯片,可以轻松实现设备与设备之间的一触式连接。该设备,并不需要复杂的配对过程。“

史静燕还认为,无线连接技术有多种选择,包括BLE,Zigbee或其他网状网络协议和NFC。从低功耗通信和安全角度来看,NFC将在可穿戴设备中发挥关键作用。

另外值得注意的是超低功耗(ULP)连接的可用性。北欧首席执行官Svenn-Tore Larsen认为,今天的蓝牙v4.0(或蓝牙智能就绪)智能手机和平板电脑通常采用蓝牙低功耗(BLE)或ANT + ULP技术的配件实现。无缝无线通信为新一代智能手表提供了催化剂,Nordic为射频软件协议提供了解决方案。

从具体应用的角度来看,无线技术还需要“分为几类”。用于助听器的无线技术,包括近场磁感应(NFMI),蓝牙和2.4 GHz无线技术。习金淼指出,NFMI距离有限,但能耗极低,适合助听器之间的无线通信。 2.4GHz无线技术具有更长的距离(约7至9米),但它消耗更多能量,适用于助听器和智能手机等其他电子设备之间的无线通信。蓝牙通常用于中继设备和蓝牙兼容音频源之间的无线通信。 “现有的无线技术各有优缺点。业界仍然缺乏助听器的无线通信标准,结合上述无线技术的优势,同时克服了它们的缺点。”习金淼说:“一种可行的方法是使用'双。无线'技术,如安森美半导体Ezario 7100,兼容NFMI和2.4GHz射频技术。

从趋势的角度来看,Wi-Fi,蓝牙,NFC和GPS等强大的无线技术奠定了基础,无线组合芯片也在这一领域迅速发展。钱志军认为,可穿戴设备需要一种方便但先进的技术来驱动它们。无线组合解决方案不仅需要高集成度,还需要显着降低功耗。

传感器:风还很热

未来,移动医疗将逐步融入可穿戴设备中,越来越多的生物和光学传感器将被添加到可穿戴设备中以测试健康指标。

在可穿戴设备级别,传感器绝对是一个“大头”。任远说,市场上有很多传感器,包括加速度计,陀螺仪,磁力计,气压计,温度计和湿度计。这些传感器可用于执行各种动作识别和手势识别,以帮助消费者实现健康的应用。他进一步指出,未来移动医疗将逐步融入可穿戴设备中,越来越多的生物和光学传感器将被添加到可穿戴设备中,以测试血压,血氧,心率等健康指标。

随着可穿戴医疗设备的发展,可以实现医疗指标(如温度,血糖等)监测和健康监测的传感器将具有广阔的发展空间。史静燕说,目前对MEM型运动和位置传感器的需求占主导地位,但环境传感器和生物传感器在这个市场的关键增长领域具有巨大的增长潜力。

此外,传感器还对接口电路提出了新的要求。习金淼表示,传感器尺寸更小,能耗更低,同时需要定制传感器接口专用集成电路(ASIC)。例如,传感器可能需要高压偏压,同时产生非常低电平的信号。传感器接口ASIC可集成高压和低压电路,降低复杂性,优于分立器件解决方案。同时,传感器接口ASIC解决方案提供高信号路径隔离和低噪声,使其成为传感器应用的理想选择。

制造商的观点

北欧首席执行官Svenn-Tore Larsen

无线连接技术推动了新的应用程序开发

从应用的角度来看,智能手表和紧凑型无线传感器使用蓝牙v4.0(最近升级到蓝牙v4.1)来提供无线连接,这在可穿戴设备技术中目前非常具有代表性。与此同时,他们可以利用ANT + ULP无线技术(用于无线传感器的蓝牙低能耗技术的竞争技术)。无论是蓝牙还是ANT技术,可穿戴设备和移动设备之间的连接将推动大量新应用的开发。现在广泛使用本机支持蓝牙v4.0并在iOS,Windows 8或Android操作系统下运行的蓝牙智能就绪设备。这些设备可与智能手表无缝配对,允许用户阅读文本,查看呼叫者,甚至在智能手机上使用该应用程序。

Nordic的最新产品nRF51系列是优化的2.4GHz ULP无线连接解决方案。 nRF51系列片上系统(SoC)结合了创新硬件,大大简化并加速了代码开发。

任远,意法半导体公司高级市场工程师

考虑数据安全性

需要在云中分析可穿戴设备数据,开发人员需要与云服务器提供商集成。目前,越来越多的云服务器提供商和互联网提供商加入了可穿戴设备的开发。通过提供硬件来获取客户的基本数据并建立后端数据库,互联网公司需要这些数据的安全性。考虑这个问题。

意法半导体可为可穿戴设备提供微控制器,传感器,蓝牙低功耗和电源管理芯片等模块。通过与业界主流制造商的合作,它成功地将尖端技术与低功耗MCU集成在一起,并帮助他们构建整个生态系统。 ST提供最适合可穿戴设备的低功耗MCU,例如STM32L系列,它可以在低功耗模式下打开RTC,并且只需要将800nA的RAM数据保持在最低水平。

Yong Yong,德州仪器MSP430中国业务开发经理

完整的系统级解决方案,以协助设计

针对可穿戴设备设计的两大挑战,TI的产品和解决方案具有以下两个优势,可帮助客户轻松设计可穿戴设备:首先是完整且高度集成的低功耗硬件平台。首先,TI的MSP430微控制器是业界功耗最低,串行最多的超低功耗微控制器系列。我们提供400多种MSP430型号,超过25种封装模式(最小2mm x 2mm尺寸),并支持高达512KB闪存/64KB RAM,覆盖大多数可穿戴设备MCU。第二个是CC2541低功耗蓝牙解决方案和全面的NFC产品线,以实现低功耗无线连接。第三个是高度集成的模拟前端。第二个是完整的系统级解决方案。目前,TI的可穿戴设备和Health Hub演示产品可以测量心率,血氧等功能,并且适用于医疗保健和运动相关领域。

Broadcom中国区销售总监钱志军

无线充电技术加速了行业变革

可穿戴市场起飞的能力需要低功耗,位置感知和可互连的设备,无论何时何地需要它们。将这些产品连接到智能设备的能力至关重要,因为它不仅提供数据收集。该窗口还充当中央集线器,用于将此数据发送到云。智能手机和平板电脑使用无线技术发送和接收这些数据,这可以大大降低可穿戴设备的数据处理需求和功耗需求。反过来,制造商和消费者的相应成本也会降低。

此外,无线充电技术为可穿戴设备提供了巨大的机会。无论是将设备放置在充电托盘上还是收集RF能量,从周围环境快速充电设备的能力将对这些设备的开发产生显着的积极影响。无线电力传输和能量收集将推动整个行业的转型。

施静燕,恩智浦半导体大中华区便携式设备和计算产品部高级营销总监

NFC将发挥关键作用

功耗,电池寿命,用于连接的超低功耗半导体以及传感器都是阻碍可穿戴设备市场增长的因素。这些领域将成为创新的焦点。

由于其先进的处理能力,低功耗和易用性,ARM内核的微控制器似乎是可穿戴革命的核心,也是唯一可以使用的核心。对于无线连接,我们可以看到多种选择,包括BTLE,Zigbee或其他网状网络协议和NFC。从低功耗通信和安全的角度来看,我们认为NFC将在可穿戴设备中发挥关键作用。通常,连接取决于应用程序。但是对于可穿戴设备的安全交互,我们预见到NFC和安全组件的巨大潜力。目前,对类似MEM的运动和位置传感器的需求占主导地位。

罗华半导体(上海)有限公司高级经理王华

致力于一站式解决方案

对于可穿戴设备,ROHM提供各种解决方案。以智能手表(腕带)为例,ROHM可以提供业界顶级的低功耗MCU和蓝牙低功耗(BLE)解决方案,以及广泛用于智能手机的Kionix(ROHM子公司)MEMS传感器和ROHM的红外和可见光传感器。 ROHM可以提供整体的Turn-key解决方案,目前是业内推出的品牌手表/手镯的一个非常好的应用。此外,ROHM的超小型分立器件将为不断增长的可穿戴设备市场做出重大贡献,利用新技术和新技术实现世界上最小尺寸的RASMIDTM系列。

LAPIS(ROHM的子公司)推出基于独特U8内核或ARM内核的超低功耗MCU,并提供基于多个传感器的数据融合算法,为客户提供完整的应用解决方案。

Silicon Labs Americas市场总监Raman Sharma

节能32位MCU满足需求

Silicon Labs提供业界最节能的32位MCU,使其成为功耗敏感,电池供电的可穿戴应用的理想选择。 Silicon Labs的EFM32 Gecko MCU提供业界领先的能效,长电池寿命,出色的处理性能和高度集成的小型封装。 Gecko MCU的低功耗传感器接口(LESENSE)和外围反射系统(PRS)对于具有超低功率负载的可穿戴设备非常有吸引力。即使MCU处于深度休眠模式,LESENSE接口也会收集和处理传感器数据,这样MCU可以在跟踪传感器状态和事件的同时长时间保持低功耗模式。 PRS监视复杂的系统级事件,并允许不同MCU外设之间的自主通信,同时尽可能长时间地将CPU保持在节能睡眠模式。